欠驱动拟人手的设计及抓握操作理论与方法研究

摘要

人体解剖学和肌骨系统运动功能学研究表明，虽然人手具有众多的活动关节，然而关节之间存在固有的协同运动特性。如何用工程科学的方法复现人手运动规律是当前机器人学研究的难题之一。本文围绕欠驱动拟人手的设计、功能评价等问题开展系统深入的研究。主要创新性研究工作如下：
　　人手高维运动功能的机械重构方法。采集人手的日常抓握运动数据，并分析了人手的运动特征。人手运动数据的分析结果表明，手指内关节间存在主次运动机制，拇指与其余四指运动关联性差，其余四指的运动存在显著的协同特征。根据人手指的主次运动分治规律，提出了复现人手指主次运动的机械设计原理。基于提出的设计原理，设计并制造了机械传动系统内置的欠驱动拟人手样机。该拟人手只需4个电机驱动16个关节，能够复现人手自然的抓握功能。抓握实验结果证实了提出的拟人手设计方法的有效性。
　　欠驱动机构的机械自适应特性定量评价。欠驱动机构具有独特的机械自适应特性而被广泛使用，然而尚缺乏对机械自适应性的定量评价方法。针对这一问题，定义了描述机械自适应性的度量指标，从效果和代价两方面对机械自适应特性进行定量评价。通过分析欠驱动机械手实施典型抓取行为过程中运动与力的演化过程，揭示了欠驱动机构机械自适应特性的外在条件和内在成因。利用提出的评价指标，分析比较了拟人手的三种典型柔性欠驱动拟人手机构的机械自适应能力，结果表明采用主次运动分治原理设计的关节间柔性耦合机构具有最优的形状自适应能力。
　　自适应包络抓握的欠驱动机构参数设计方法。通过对欠驱动抓握过程分析研究，发现了欠驱动手抓握过程中存在运动收敛的行为，揭示了机构参数对欠驱动手抓握行为特点的影响规律。提出了基于抓握过程的欠驱动机构参数分步设计方法，解决了欠驱动手指在自适应抓握过程中难以施加足够大抓握力的难题，为避免手指自适应抓握过程中发生挤出行为提供了有效的解决方法。实验结果验证了分析和设计方法的有效性。
　　欠驱动拟人手灵巧操作能力的分析评价方法。通过对手-物体系统可动性和接触力的综合分析，揭示了欠驱动手与全驱型手在灵巧操作上的本质区别。发展了欠驱动拟人手灵巧操作行为的分析方法。从可实现的操作方向及对应的运动幅度定义了欠驱动手的灵巧操作能力，并给出了欠驱动灵巧操作能力的评价方法及其算法。用本文提出的欠驱动拟人手进行了理论分析和操作实验，实验结果验证了分析方法的有效性。分析和实验结果表明欠驱动拟人手能够实现大范围的灵巧操作，具有良好的灵巧操作能力。

目录

声明

1 绪 论

1.1 课题来源

1.2 研究背景

1.3 研究现状综述

1.4 论文的内容安排

2 人手抓握运动的特征分析与机械重构

2.1 引言

2.2 人手抓握运动实验设计

2.3 人手抓握运动的特征分析

2.4 人手指主次运动的机械复现方法

2.5 欠驱动拟人手的设计与实验

2.6 本章小结

3 欠驱动机构机械自适应特性的定量评价

3.1 引言

3.2 欠驱动机构自适应特性的定量度量

3.3 欠驱动机构自适应行为分析

3.4 欠驱动机构的自适应性评价

3.5 三种典型柔性欠驱动机构的比较

3.6 本章小结

4 欠驱动拟人手自适应包络抓取的参数设计方法

4.1 引言

4.2 欠驱动拟人手的自适应抓握模型

4.3 欠驱动自适应抓取行为过程的演化规律分析

4.4 实现自适应抓握的欠驱动拟人手参数设计

4.5 欠驱动拟人手包络抓握实验

4.6 本章小结

5 欠驱动拟人手灵巧操作能力的分析方法

5.1 引言

5.2 机器人手灵巧操作的数学模型

5.3 手-物体系统的可动性与接触力分析

5.4 欠驱动操作的描述方法

5.5 欠驱动手操作能力的分析方法

5.6 应用于欠驱动拟人手

5.7 本章小结

6 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 未来展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的主要论文与申请的专利